CN109613120B - 一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法 - Google Patents

一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、兵器、船舶、冶金、钢铁、交通、建筑等领域复合材料结构及金属材料无损检测，尤其涉及一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声‑声发射检测方法。本发明首行采用接收换能器先进辅助扫描，然后再对脉冲声发射波的主动扫描接收与信号显示进行分析，进而实现对被检测零件的高分辨率脉冲超声‑声发射检测。本发明不需要对被检测零件或结构进行外部机械力式的加载，适合静置条件下的零件或结构的检测；换能器不需要固粘在被检测零件或结构表面，能实现自动扫描检测和成像分析；缺陷检出率与所布置的换能器的数量和位置无关，克服了传统声发射存在的漏检风险。

Description

一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法
技术领域
本发明属于无损检测技术，涉及一种用于航空、航天、兵器、船舶、冶金、钢铁、交通、建筑等领域复合材料结构及金属材料无损检测，尤其涉及一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法。
背景技术
超声是目前广泛用于各种材料及其结构缺陷定量无损检测的重要方法，已在航空航天、兵器、电子、船舶、冶金、石化石油、交通、建筑等领域得到广泛应用，例如在复合材料领域，目前80％复合材料结构都采用了超声检测。目前用于零件或结构超声检测方法主要有反射法和穿透法，利用外部超声脉冲声源，在被检测零件或结构中形成的反射/透射声波行为，进行缺陷的检测和判别，其主要不足是：(1)对缺陷取向非常敏感，随着缺陷取向与入射声波传播方向之间的夹角增大，对缺陷的检出能力显著下降，进而容易造成漏检；(2)声波衰减剧烈，难以实现大厚度复合材料及多孔隙复合材料等声波衰减剧烈的材料的无损检测。其改进方法之一就是采用声发射方法，通过对被检测零件或结构进行一定的加载，使其内部缺陷产生声发射现象，形成声发射信号，进行缺陷检测，但传统的声发射方法主要不足是：(1)需要对被检测零件或结构进行一定载荷的加载，不适合静置条件下的零件或结构的检测；(2)换能器需要固粘在被检测零件表面，不能实现自动扫描检测和成像分析；(3)缺陷检出率与所布置的换能器的数量和位置密切有关，存在较大的漏检风险；(4)检测信号来自被检测零件或结构在外部加载条件产生的声发射信号，这种被动式声发射信号，其频率一般在1MHz以下，声发射信号的时域特性和频域特性质量很差，影响检测分辨率和缺陷定量评估。作为一种改进方法，是将超声和声发射进行结合，利用超声波作为应力波在被检测零件或结构内部形成微力学加载条件，当其内部存在缺陷时，超声波在缺陷周围激发声发射现象，形成声波发射，在一定程度上，可以克服传统声发射检测中换能器需要固粘在被检测零件或结构表面和加载不易实现等不足，但传统的超声-声发射方法采用的低频应力波加载方式，在扫描过程中，发生换能器和接收换能器相对位置固定，仍然没有解决分辨率低、难以实现高质量的自动扫描检测、难以实现缺陷扫描成像及缺陷定量评估、缺陷检出能力和检出准确性不高等问题。
发明内容
本发明的目的是针对复合材料及金属材料零件等无损检测，提出一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法，克服传统超声检测受缺陷取向影响，容易造成漏检、大厚度及孔隙检测困难等不足，解决传统超声-声发射检测方法分辨率低、缺陷检出能力受限，难以实现高分辨率扫描成像检测和缺陷定量分析困难等不足。
本发明的技术解决方案是，实现该检测方法的检测系统主要由发射换能器、超声发射单元、接收换能器、声发射接收单元、信号处理单元、扫描单元、显示单元组成，发射换能器在超声发射单元的作用下，产生脉冲激励超声波P1，此脉冲激励超声波P1通过耦合介质传播到被检测零件中，在被检测零件内部形成脉冲声发射应力波，当被检测零件内部存在缺陷，此应力波会在缺陷周围产生脉冲发射声波，由接收换能器接收，发射换能器和接收换能器在扫描单元控制下，对被检测零件进行扫描检测，
1)辅助扫描
扫描单元由主扫描机构和辅助扫描机构组成，其中扫描单元中的主扫描机构控制发射换能器和接收换能器对被检测零件进行覆盖扫描，扫描单元中的辅助扫描机构控制接收换能器相对发射换能器进行辅助扫描，在发射换能器和接收换能器对被检测零件进行覆盖扫描过程中，在发射换能器所在的每个扫描点，扫描单元中的辅助扫描机构控制接收换能器在对应发射换能器每个检测点位置完成一次辅助扫描，以接收来自缺陷周围所产生的不同方向的脉冲发射声波；
2)脉冲声发射波的主动扫描接收与信号显示分析
接收换能器在发射换能器所在检测点位置上作辅助扫描，发射换能器在第i个检测点缺陷周围产生的不同方向的脉冲发射声波Ei，此脉冲发射声波Ei经接收换能器转换为脉冲声发射信号，此脉冲声发射信号经声发射接收单元进行预处理后，由信号处理单元进行数字化处理，形成脉冲声发射检测信号ui，在辅助扫描范围内移动接收换能器，由接收换能器通过其在缺陷周围的辅助扫描，以主动扫描方式接收来自缺陷周围产生的不同方向的脉冲发射声波的总和
Figure GDA0002978231990000021
这里，i＝1,2,...,n，n为来自缺陷周围不同方向的脉冲发射声波总数，与发射换能器所在的检测点的总数相对应，经接收换能器转换为脉冲声发射信号，此脉冲声发射信号依次通过声发射接收单元进行预处理，由信号处理单元进行合成，形成脉冲声发射检测信号的总和
Figure GDA0002978231990000022
传送到显示单元，进行脉冲超声-声发射检测结果的显示和分析，进而实现对被检测零件的高分辨率脉冲超声-声发射检测，
其中，辅助扫描速度设置：
接收换能器相对于发射换能器的辅助扫描速度υ2按式(1)确定和选择，
Figure GDA0002978231990000031
这里，υ1为发射换能器和接收换能器的主扫描速度，
L为接收换能器辅助扫描范围，
D为要求检出的最小缺陷的直径，
γ为系数，根据检测标准或检测技术条件确定，一般在γ＝0.1-1.0之间选择，
辅助扫描的扫描范围确定：
接收换能器(3)相对于发射换能器的辅助扫描范围L按式(2)确定和选择，
L＝μH (2)
这里，H为被检测零件(8)的最大厚度，
μ为系数，由试验确定，一般在μ＝1-3之间选择。
根据显示单元中显示的
Figure GDA0002978231990000032
信号或基于
Figure GDA0002978231990000033
的成像结果，进行缺陷判别。
辅助扫描的方式为接收换能器相对发射换能器作圆周或直线辅助扫描，通过接收换能器的这种辅助扫描，实现对来自缺陷周围不同方向的脉冲声发射波的主动接收。
接收换能器和发射换能器的耦合方式为接触式液膜耦合或非接触式液浸或非接触式喷水耦合方式，发射换能器和接收换能器位于被检测零件的同一侧或者不同侧。
接收换能器和发射换能器的工作频率相同或不相同，其频率在1-15MHz之间选择。
本发明具有的优点和有益效果，
1)本发明利用不同频域的高频脉冲超声波作为声发射微应力加载条件，在被检测零件内部缺陷周围产生时域可分辨的高质量脉冲声发射信号，且此脉冲声发射信号在时域和频域上受加载超声脉冲波的调制，通过接收换能器相对发射换能器的辅助扫描，主动接收来自缺陷周围的声发射信号，属于一种主动扫描接收式脉冲超声-声发射技术，相比传统超声检测方法，本发明对缺陷取向不敏感，对不同取向缺陷的检出能力显著提高，进而避免了产生缺陷漏检，大大地提高了超声-声发射对大厚度复合材料及多孔隙复合材料等声波衰减剧烈的材料的零件或结构的无损检测能力，以及取向复杂、微细紧贴缺陷的检出能力。
2)相比传统的声发射检测方法，本发明不需要对被检测零件或结构进行外部机械力式的加载，适合静置条件下的零件或结构的检测；换能器不需要固粘在被检测零件或结构表面，能实现自动扫描检测和成像分析；缺陷检出率与所布置的换能器的数量和位置无关，克服了传统声发射存在的漏检风险；检测频率在1MHz以上，声发射信号的时域特性和频域特性质量非常好，检测分辨率高、更加适合缺陷定量检测与评估。
3)相比传统超声-声发射检测方法，本发明非常容易实现自动扫描检测，非常容易实现自动扫描成像检测及缺陷定量评估，缺陷检出能力和检出准确性大大地提高，可以用于不同场合、不同复零件或结构的自动扫描成像检测，工程适用性非常强。
附图说明
图1是本发明的原理组成示意图
具体实施方式
实现该检测方法的检测系统主要由发射换能器1、超声发射单元2、接收换能器3、声发射接收单元4、信号处理单元5、扫描单元6、显示单元7组成，参见图1所示，发射换能器1在超声发射单元2的作用下，产生脉冲激励超声波P1，此脉冲激励超声波P1通过耦合介质传播到被检测零件8中，在被检测零件8内部形成脉冲声发射应力波，当被检测零件8内部存在缺陷8A，此应力波会在缺陷8A周围产生脉冲发射声波，由接收换能器3接收，发射换能器1和接收换能器3在扫描单元6控制下，对被检测零件8进行扫描检测，采用能够提供高分辨率脉冲超声激励的超声发射单元2激励发射换能器1，以便在被检测零件8中形成高分辨率脉冲声发射应力波，
1)辅助扫描
扫描单元6由主扫描机构和辅助扫描机构组成，其中扫描单元6中的主扫描机构控制发射换能器1和接收换能器3对被检测零件8进行覆盖扫描，扫描单元6中的辅助扫描机构控制接收换能器3相对发射换能器1进行辅助扫描，在发射换能器1和接收换能器3对被检测零件8进行覆盖扫描过程中，在发射换能器1所在的每个扫描点，扫描单元6中的辅助扫描机构控制接收换能器3在对应发射换能器1每个检测点位置完成一次辅助扫描，其辅助扫描范围为L，以接收来自缺陷周围所产生的不同方向的脉冲发射声波，参见图1所示；
2)脉冲声发射波的主动扫描接收与信号显示分析
接收换能器3在发射换能器1所在检测点位置上作辅助扫描，发射换能器1在第i个检测点缺陷8A周围产生的不同方向的脉冲发射声波Ei，此脉冲发射声波Ei经接收换能器3转换为脉冲声发射信号，此脉冲声发射信号经声发射接收单元4进行预处理后，由信号处理单元5进行数字化处理，形成脉冲声发射检测信号ui，在辅助扫描范围内移动接收换能器3，由接收换能器3通过其在缺陷8A周围的辅助扫描，以主动扫描方式接收来自缺陷8A周围产生的不同方向的脉冲发射声波的总和
Figure GDA0002978231990000041
这里，i＝1,2,...,n，n为来自缺陷8A周围不同方向的脉冲发射声波总数，与发射换能器1所在的检测点的总数相对应，经接收换能器3转换为脉冲声发射信号，此脉冲声发射信号依次通过声发射接收单元4进行预处理，由信号处理单元5进行合成，形成脉冲声发射检测信号的总和
Figure GDA0002978231990000051
传送到显示单元7，进行脉冲超声-声发射检测结果的显示和分析，进而实现对被检测零件的高分辨率脉冲超声-声发射检测，参见图1所示，
其中，辅助扫描速度设置：
接收换能器3相对于发射换能器1的辅助扫描速度υ2按式(1)确定和选择，
Figure GDA0002978231990000052
这里，υ1为发射换能器1和接收换能器3的主扫描速度，
L为接收换能器3辅助扫描范围，
D为要求检出的最小缺陷的直径，
γ为系数，根据检测标准或检测技术条件确定，一般在γ＝0.1-1.0之间选择，
辅助扫描的扫描范围确定：
接收换能器3相对于发射换能器1的辅助扫描范围L按式(2)确定和选择，
L＝μH (2)
这里，H为被检测零件(8)的最大厚度，
μ为系数，由试验确定，一般在μ＝1-3之间选择。
根据显示单元7中显示的
Figure GDA0002978231990000053
信号或基于
Figure GDA0002978231990000054
的成像结果，进行缺陷判别。
辅助扫描的方式为接收换能器3相对发射换能器1作圆周或直线辅助扫描，通过接收换能器3的这种辅助扫描，实现对来自缺陷8A周围不同方向的脉冲声发射波的主动接收。
接收换能器3和发射换能器1的耦合方式为接触式液膜耦合或非接触式液浸或非接触式喷水耦合方式，发射换能器1和接收换能器3位于被检测零件8的同一侧或者不同侧。
接收换能器3和发射换能器1的工作频率相同或不相同，其频率在1-15MHz之间选择。
本发明的一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法的检测步骤是，
1)选择换能器：根据被检测零件8的类型、厚度、声衰减特性等选择发射换能器1和接收换能器3及其耦合方式；
2)设置扫描参数：根据被检测零件8的类型和扫描检测要求，通过扫描单元6设置发射换能器1和接收换能器3的扫描范围、扫描轨迹、扫描速度和扫描步进参数，然后按照式(1)和式(2)分别选择接收换能器3的扫描和辅助扫描范围，并选择接收换能器3的辅助扫描方式；
3)设置增益：根据被检测零件8的检测要求，设置声发射接收单元4的增益参数；
4)设置信号闸门：通过信号处理单元5和显示单元7设置信号闸门和缺陷报警阈值；
5)扫描检测：按照以上设置的参数，对被检测零件8进行扫描检测，并保证扫描过程中发射换能器1和接收换能器3与被检测零件8表面耦合良好，检测结果实时在显示单元7中进行显示和报警、记录、存贮。直至完成整个被检测零件8的扫描检测；
6)检测结果后处理：扫描检测完毕，利用显示单元7记录和显示的结果，进行缺陷的评判。
实施例1
采用本发明中的一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法和检测步骤，选择手工扫查和自动扫描方式，发射换能器1和接收换能器3采用中航复合材料有限责任公司生产的AU-1系列换能器和CUS-21J作为扫描检测系统，位于被检测零件同一侧，选择2MHz、5MHz、10MHz的不同频率组合，通过发射换能器1和接收换能器3的组合实现辅助扫描，进而实现对来自缺陷的声发射信号的主动扫描接收，分别对5mm和10mm厚碳纤维复合材料零件、3mm厚碳化硅复合材料、5mm和12mm厚铝合金搅拌摩擦焊接零件进行了系列的实际检测应用，实际检测应用效果表明，检测分辨率和表面检测盲区可达单个复合材料铺层厚度，可检出复合材料结构中Ф3mm、0.13mm深和9.8mm深的缺陷,以及铝合金搅拌摩擦焊缝取向复杂和紧贴型焊接缺陷，扫描成像质量非常高，缺陷的检出能力显著提高。
实施例2
采用本发明中的一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法和检测步骤，选择双通道自动扫描方式，发射换能器1和接收换能器3采用中航复合材料有限责任公司生产的AU-1系列换能器、MUI-21和CUS-21J作为扫描检测系统，选择1MHz、2MHz、5MHz的不同频率组合，通过发射换能器1和接收换能器3的组合实现辅助扫描，进而实现对来自缺陷的声发射信号的主动扫描接收，分别对20mm和50mm碳纤维复合材料零件进行了系列实际检测应用，应用效果表明，扫描成像效果非常好，检测分辨率和表面检测盲区可达单个复合材料铺层厚度，可检出复合材料结构中Ф3mm、0.13mm深、10mm、49mm深的缺陷,缺陷检出能力显著提高，起到了很好的实际检测效果。

Claims (5)

1.一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法，实现该检测方法的检测系统由发射换能器(1)、超声发射单元(2)、接收换能器(3)、声发射接收单元(4)、信号处理单元(5)、扫描单元(6)、显示单元(7)组成，发射换能器(1)在超声发射单元(2)的作用下，产生脉冲激励超声波(P1)，此脉冲激励超声波(P1)通过耦合介质传播到被检测零件(8)中，在被检测零件(8)内部形成脉冲声发射应力波，当被检测零件(8)内部存在缺陷(8A)，此应力波会在缺陷(8A)周围产生脉冲发射声波，由接收换能器(3)接收，发射换能器(1)和接收换能器(3)在扫描单元(6)控制下，对被检测零件(8)进行扫描检测，其特征是，
1)辅助扫描
扫描单元(6)由主扫描机构和辅助扫描机构组成，其中扫描单元(6)中的主扫描机构控制发射换能器(1)和接收换能器(3)对被检测零件(8)进行覆盖扫描，扫描单元(6)中的辅助扫描机构控制接收换能器(3)相对发射换能器(1)进行辅助扫描，在发射换能器(1)和接收换能器(3)对被检测零件(8)进行覆盖扫描过程中，在发射换能器(1)所在的每个扫描点，扫描单元(6)中的辅助扫描机构控制接收换能器(3)在对应发射换能器(1)每个检测点位置完成一次辅助扫描，以接收来自缺陷周围所产生的不同方向的脉冲发射声波；
2)脉冲声发射波的主动扫描接收与信号显示分析
接收换能器(3)在发射换能器(1)所在检测点位置上作辅助扫描，发射换能器(1)在第i个检测点缺陷(8A)周围产生的不同方向的脉冲发射声波Ei，此脉冲发射声波Ei经接收换能器(3)转换为脉冲声发射信号，此脉冲声发射信号经声发射接收单元(4)进行预处理后，由信号处理单元(5)进行数字化处理，形成脉冲声发射检测信号ui，在辅助扫描范围内移动接收换能器(3)，由接收换能器(3)通过其在缺陷(8A)周围的辅助扫描，以主动扫描方式接收来自缺陷(8A)周围产生的不同方向的脉冲发射声波的总和
Figure FDA0002978231980000011
这里，i＝1,2,...,n，n为来自缺陷(8A)周围不同方向的脉冲发射声波总数，与发射换能器(1)所在的检测点的总数相对应，经接收换能器(3)转换为脉冲声发射信号，此脉冲声发射信号依次通过声发射接收单元(4)进行预处理，由信号处理单元(5)进行合成，形成脉冲声发射检测信号的总和
Figure FDA0002978231980000012
传送到显示单元(7)，进行脉冲超声-声发射检测结果的显示和分析，进而实现对被检测零件的高分辨率脉冲超声-声发射检测，
其中，辅助扫描速度设置：
接收换能器(3)相对于发射换能器(1)的辅助扫描速度υ2按式(1)确定和选择，
Figure FDA0002978231980000021
这里，υ1为发射换能器(1)和接收换能器(3)的主扫描速度，
L为接收换能器(3)辅助扫描范围，
D为要求检出的最小缺陷的直径，
γ为系数，根据检测标准或检测技术条件确定，在γ＝0.1-1.0之间选择，
辅助扫描的扫描范围确定：
接收换能器(3)相对于发射换能器(1)的辅助扫描范围L按式(2)确定和选择，
L＝μH (2)
这里，H为被检测零件(8)的最大厚度，
μ为系数，由试验确定，在μ＝1-3之间选择。
2.根据权利要求1所述的一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法，其特征是，所述脉冲超声-声发射检测结果的显示和分析，根据显示单元(7)中显示的
Figure FDA0002978231980000022
信号或基于
Figure FDA0002978231980000023
的成像结果，进行缺陷判别。
3.根据权利要求1所述的一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法，其特征是，所述辅助扫描的方式为接收换能器(3)相对发射换能器(1)作圆周或直线辅助扫描。
4.根据权利要求1所述的一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法，其特征是，接收换能器(3)和发射换能器(1)的耦合方式为接触式或非接触式，发射换能器(1)和接收换能器(3)位于被检测零件(8)的同一侧或者不同侧。
5.根据权利要求1所述的一种主动扫描接收式高分辨率脉冲超声-声发射检测方法，其特征是，接收换能器(3)和发射换能器(1)的工作频率相同或不相同，工作频率在1-15MHz之间选择。
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